Projektowanie żelbetowych kominów przemysłowych wieloprzewodowych

Transkrypt

1 Budownitwo i Arhitektur 3 (2008) Projektownie żelbetowyh kominów przemysłowyh wieloprzewodowyh Mrt Słowik 1, Młgorzt Dobrowolsk 2, Krzysztof Borzęki 2 1 Ktedr Konstrukji Budowlnyh, Wydził Inżynierii Budowlnej i Snitrnej, Politehnik Lubelsk, Ndbystrzyk 40, Lublin, e-mil: m.slowik@pollub.pl 2 Absolweni, Ktedr Konstrukji Budowlnyh Streszzenie: W rtykule opisno zgdnieni związne z projektowniem żelbetowyh kominów przemysłowyh wieloprzewodowyh o złożonyh ksztłie przekroju, które nie są ujęte w przepish normowyh. Dokonno również przeglądu różnyh konepji ksztłtowni przekroju kominów wieloprzewodowyh, ze szzególnym uwzględnieniem kominów trzy i zteroprzewodowyh. Artykuł jest wzbogony o przykłdy żelbetowyh kominów tego typu zrelizownyh w Polse. Słow kluzowe: konstrukje żelbetowe, kominy przemysłowe wieloprzewodowe. 1. Wprowdzenie Zsdy projektowni kominów żelbetowyh, które określ norm PN-88/ B Kominy murowe i żelbetowe. Oblizeni sttyzne i projektownie z 1988 roku [1], dotyzą obiektów o konstrukji trzonu w posti kołowej powłoki ylindryznej bądź stożkowej (tzw. kominy zbieżne) o stłej lub skokowo zmiennej grubośi n wysokośi komin. Tk konstrukj trzonu jest stosown głównie w kominh jednoprzewodowyh, które są njzęśiej wznoszonymi kominmi przemysłowymi w prktye. Żelbetowe kominy wieloprzewodowe mją zzwyzj brdziej złożoną konstrukję. Przy projektowniu i relizji tego typu obiektów pojwi się szereg problemów nukowo tehniznyh, konstrukyjnyh i wykonwzyh, które nie zostły jeszze w pełni rozwiązne. Wobe brku wytyznyh normowyh w zkresie projektowni przemysłowyh kominów wieloprzewodowyh o złożonym ksztłie przekroju, dokumentj projektow tego typu obiektów zrelizownyh do tej pory był oprowywn w kżdym przypdku indywidulnie. Prowdzone bdni, dotyząe rozwiązni pewnyh spektów związnyh ze speyfiką projektowni kominów wieloprzewodowyh, dotyzą głównie zsd wyznzni rozkłdu nprężeń w mimośrodowo śisknyh przekrojh o złożonyh ksztłie (np. pre Lehmn [2, 3]) zy określni współzynnik oporu erodynmiznego (np. pre Żurńskiego [4, 5]). 2. Ksztłtownie kominów wieloprzewodowyh Kominy wieloprzewodow są wysokośiowymi obiektmi budowlnymi o skomplikownej konstrukji i wyposżeniu, w skłd którego whodzą między innymi stropy, drbinki, dźwig towrowy, prtur kontroln, instlje elek-

2 72 Mrt Słowik, Młgorzt Dobrowolsk, Krzysztof Borzęki tryzne oświetleni, zsilni i sygnlizji. Pozątkowo konstrukji nośnej komin wieloprzewodowego ndwno ksztłt obrotowej powłoki ylindryznej (Rys. 1). Rys. 1. Przekrój komin ylindryznego: dwu-, trzy- i pięioprzewodowego. Fig. 1. The ross setion of two-, three- nd five-flue ylindril himney. Z zsem, ze względu n zbyt długie belki stropowe, obiążone iężkimi przewodmi splinowymi, powstł konepj tzw. kominów wieloksztłtowyh, w któryh trzon dopsowuje się swym ksztłtem do ukłdu przewodów. Możliwość ksztłtowni przekrojów poprzeznyh kominów wieloksztłtowyh jest brdzo duż. Nie wszystkie konepje dozekły się relizji. N rysunkh 2 i 3 pokzno sposób ksztłtowni przekroju poprzeznego i różne konepje konstrukyjne kominów trzyprzewodowyh i zteroprzewodowyh. ) b) ) d) Rys. 2. Kominy trzyprzewodowe; sposób ksztłtowni przekrojów poprzeznyh, b,,d konepje różnyh konstrukji. Fig. 2. Three-flue himneys; the wy of formtion the ross setion, b,, d different oneptions of struture.

3 Projektownie żelbetowyh kominów przemysłowyh wieloprzewodowyh 73 ) b) ) Rys. 3. Kominy zteroprzewodowe; sposób ksztłtowni przekrojów poprzeznyh, b, konepje różnyh konstrukji. Fig. 3. Four-flue himneys; the wy of formtion the ross setion, b,, different oneptions of struture. Podzs nlizy rozwiązń konstrukyjnyh kominów wieloprzewodowyh npotkć możn szereg nowośi pozwljąyh n prktyzne wykorzystnie odmiennego typu konstrukji. Często występuje rozdzielenie konstrukji nośnej od przewodów splinowyh. Sztywność kominów wieloprzewodowyh zpewniją lekkie podesty belkowe, obeność któryh orz wyposżenie w dźwigi towrowoosobowe ułtwi dostęp i zpewni wrunki bezpiezeństw podzs remontów, obsługi przewodów splinowyh, dignostyki i nprw konstrukji nośnej. Wentylown przestrzeń pomiędzy przewodmi płszzem obniż temperturę odprowdznyh splin w obrębie trzonu żelbetowego n tyle, iż możliwy jest okresowy pobyt ludzi bez konieznośi wyłązni łego komin z użytkowni.

4 74 Mrt Słowik, Młgorzt Dobrowolsk, Krzysztof Borzęki 3. Przegląd rozwiązń konstrukyjnyh kominów wieloprzewodowyh w Polse Njwięej żelbetowyh kominów wieloprzewodowyh w Polse zostło wzniesionyh w lth siedemdziesiątyh XX wieku. Zstosowne przy ih projektowniu i budowie rozwiązni konstrukyjne i tehnologizne były przedmiotem publikji, które ukzły się w literturze nukowo-tehniznej w tym okresie np. [6-8] i lth nstępnyh np. [9, 10]. Przykłdem komin wieloprzewodowego o konstrukji żelbetowej powłoki ylindryznej jest sześioprzewodowy komin elektrowni Opole o wysokośi 250 m i średniy przewodów po 6 m (Rys. 4). W środku znjduje się żelbetowy trzon wewnętrzny, w którym zmontowny jest dźwig towrowo osobowy [6]. ) b) Rys. 4. Sześioprzewodowy komin elektrownii Opole; przekrój, b widok. Fig. 4. The six-flue himney in the power sttion in Opole; ross setion, b view. Konstrukję trzyprzewodowego komin elektrownii Bydgoszz o wysokośi 73 m, który powstł w 1973 r., przedstwiono n Rys. 5. Rys. 5. Trzyprzewodowy komin elektrownii Bydgoszz. Fig. 5. The three-flue himney in the power sttion in Bydgoszz.

5 Projektownie żelbetowyh kominów przemysłowyh wieloprzewodowyh 75 W Polse njzęstszym rozwiązniem żelbetowyh kominów wieloprzewodowyh są obiekty zteroprzewodowe silosowe, które ze względu n ksztłt przekroju poprzeznego nzywne są kominmi typu zterolistnej konizynki. Pierwszy tego typu komin o wysokośi 150 m z przewodmi ermiznymi wznoszony był w lth w Elektroiepłowni Gdyni III (Rys. 6). W kominie zstosowno przewody różniąe się między sobą wymirmi: trzy przewody o średniy 3,4 m zwrty o średniy 2,4 m. Tki sm komin, jeśli hodzi o konstrukję trzonu i wysokość, zostł wykonny w 1975 roku w Elektroiepłowni I Huty Ktowie. Zminie, w porównniu do komin Elektroiepłowni Gdyni III, uległy przewody wewnętrzne, które wykonno ze stli. W lth wzniesiono dw kolejne obiekty o przekroju zterolistnej konizynki: 120-to metrowy komin w huie Miedzi Głogów II i komin w Elektroiepłowni Lublin Wrotków (Rys. 6b). W Elektroiepłowni II Huty Ktowie wzniesiono w 1984 roku drugi komin zteroprzewodowy o średniy przewodów 3,7 m. Przy jego wznoszeniu uwzględniono doświdzeni uzyskne przy budowie wześniejszyh obiektów, między innymi n przewody splinowe zstosowno stl o podwyższonej odpornośi n korozję. ) b) Rys. 6. Kominy zteroprzewodowe elektroiepłowni: w Gdyni, b w Lublinie. Fig. 6. The four-flue himneys of het nd power generting plnts: in Gdyni, b in Lublin. 4. Projektownie żelbetowyh kominów wieloprzewodowyh o złożonym ksztłie Kominy wieloprzewodowe burzą wyobrżenie o nieskomplikownym, pod względem erodynmiznym, kołowym ksztłie przekroju. Pojwiją się tkże problemy z wyznzeniem, w sposób dokłdny, nprężeń w betonie i stli zbrojeniowej. Przy zwiększniu ilośi przewodów zmieni się przekrój poprzezny, ztem wygląd zewnętrzny komin, o zpewni inne niż trdyyjne wlory rhitektonizne.

6 76 Mrt Słowik, Młgorzt Dobrowolsk, Krzysztof Borzęki Dwom istotnymi zgdnienimi występująymi przy projektowniu kominów wieloprzewodowyh, któryh nie obejmują przepisy normowe [1], są ustlenie włśiwego, dl dnego przekroju komin, współzynnik oporu erodynmiznego i określenie nprężeń w betonie i stli zbrojeniowej Współzynnik oporu erodynmiznego Norm do projektowni kominów murownyh i żelbetowyh [1] jednoznznie określ podstwowe złożeni potrzebne do wyznzeni współzynnik oporu erodynmiznego C x w przypdku kominów o przekrojh typowyh. Dl przekroju kołowego wrtość C x zleży od stosunku łkowitej wysokośi komin H do średniej średniy zewnętrznej jego przekroju D śr : C x Dsr = 071, ( -0, 25 log 25 ), gdy H C x = 07,, gdy H D sr 25 (1) H D sr > 25 (2) W kominh wieloprzewodowyh o złożonym przekroju poprzeznym współzynnik oporu erodynmizny C x ustlny jest w sposób doświdzlny n podstwie bdń wykonywnyh w tunelu erodynmiznym. Bdni tego typu były prowdzone przez Żurńskiego [4] w Instytuie Lotnitw w Wrszwie n modelh w posti wiązek 2, 3 i 4 sztywnyh wlów kołowyh ustwionyh w różnej odległośi między osimi wlów, wynosząej od =D (n styk) do =1,8D. N podstwie wyników bdń uzyskno podstwową hrkterystykę erodynmizną ukłdu wlów tj. współzynnik oporu erodynmiznego C x, erodynmizną siłę bozną C y i moment erodynmizny C m w zleżnośi od względnej odległośi między osimi wlów /D orz od kierunku dziłni witru. N Rys. 7 przedstwiono wyznzone wrtośi współzynnik interferenji K i określjąego względną wrtość współzynnik oporu erodynmiznego ukłdu wlów C xn w odniesieniu do współzynnik dl jednego wl C x1. K i C = C xn x1. (3) 1.2 Ki D K 4 d 0.2 D d /D Rys. 7. Wrtośi współzynnik interferenji K i dl ukłdu: trzeh, b ztereh wlów. Fig. 7. Coeffiient K i for the rrngement of: three, b four ylinders. d

7 Projektownie żelbetowyh kominów przemysłowyh wieloprzewodowyh 77 Przy projektowniu kominów wieloprzewodowyh, o przekroju w ksztłie trójlistnej i zterolistnej konizynki, obiążenie witrem nleży wyznzć n podstwie zmodyfikownego wzoru zproponownego w [4]: p = q C [ K C D n] b k k e i x1, (4) w którym: q k hrkterystyzne iśnienie prędkośi witru wg [11], C e współzynnik ekspozyji wg [11], K i współzynnik interferenji wg Rys. 7, odzytywny przy /D=1, C x1 współzynnik oporu erodynmiznego wg [1], odzytywny jk dl komin ylindryznego o wymirh jednego przewodu komin wieloprzewodowego, D średni zewnętrzn pojedynzego przewodu, n lizb przewodów w kominie, β współzynnik dziłni porywów witru wg [11] Obliznie nprężeń w kominh żelbetowyh Norm do projektowni kominów murownyh i żelbetowyh [1] zwier wytyzne do wyznzeni nprężeń normlnyh śiskjąyh w betonie i roziągjąyh w stli jedynie w przekroju pierśieniowym komin (Rys. 8). R r Od e N α r Rys. 8. Rozkłd nprężeń w przekroju pierśieniowym mimośrodowo śisknym. Fig. 8. Stress distribution in nnulr ross setion under eentri ompression. Nprężeni w betonie σ i w stli σ s, wg normy [1], możn oblizć dl przekroju pierśieniowego komin żelbetowego ze wzorów: s N mx = A B, (5) mx mx s = s C, (6) s w któryh: N sił śiskją prostopdł do przekroju, A pole przekroju poprzeznego betonu ( ) p 1 + os B =, (7) sin +- [ + p( 1 + n r)os C 2 = n tg, (8) 2 σs /n

8 78 Mrt Słowik, Młgorzt Dobrowolsk, Krzysztof Borzęki Es n =. (9) E Występująy we wzorh (7) i (8) kąt α, określjąy położenie osi obojętnej przekroju, obliz się wg wzoru: e r ( ) 1 05, sin 2- + p 1+ n r = 2 sin +- [ + p( 1 + n r)]os, (10) w którym: e mimośród siły śiskjąej wynosząy: M e =, (11) N r promień okręgu wyznzjąy położenie środk iężkośi pierśieni betonowego, ρ stopień zbrojeni. W przepish normowyh brk jest ntomist proedur odnośnie określni nprężeń w betonie i stli w kominh wieloksztłtowyh. Zgdnienie, które sprowdz się do sposobu wyznzni współzynników B i C, było przedmiotem nliz prowdzonyh przez Lehmn [2, 3]. W swoih rozwżnih utor szzegółowo zjmowł się przekrojem pierśieniowym pełnym i osłbionym otwormi z dodtkowym zbrojeniem przy otworh w kominie jednoprzewodowyh i dwuprzewodowym. Podł również podstwowe złożeni do wyznzeni nprężeń w kominh wieloksztłtowyh o większej ilośi przewodów. Główne złożeni przyjęte do oblizeń to: płskość przekrojów, jednowymirowość stnu odksztłeni i nprężeni, przyjęie, że grubość pierśieni jest niższego rzędu niż promień zewnętrzny. Jeżeli ły przekrój znjduje się w strefie śisknej, nprężeni w betonie i stli możn określić n podstwie ogólnyh wzorów wytrzymłośi mteriłów, w przeiwnym przypdku niezbędne jest znlezienie położeni osi obojętnej przekroju. W rozwiązniu zproponownym w [4], bzuje się n równniu równowgi momentów sił w przekroju względem prostej prostopdłej do osi symetrii i przehodząej przez punkt przyłożeni wypdkowej siły śiskjąej N: å M g- g = 0, (12) ò s e + v da s ò e v da 0, (13) s s s A ( ) + ( + ) = As gdzie: e mimośród siły N, v odległość środk iężkośi nieskońzenie młego wyink pierśieniowego przekroju betonu do środk iężkośi łego przekroju poziomego komin, v s odległość środk iężkośi nieskońzenie młego wyink przekroju stli do środk iężkośi łego przekroju poziomego komin, da różnizk pol betonu, da s różnizk pol zbrojeni, A pole powierzhni betonu, A s pole powierzhni zbrojeni. Uwzględniją w równniu równowgi momentów związki konstytutywne dl betonu i stli orz zleżnośi geometryzne, otrzymuje się równnie określjąe położenie osi obojętnej przekroju:

9 e r Projektownie żelbetowyh kominów przemysłowyh wieloprzewodowyh 79 1 ( 1 - r) X ( ) + n r X ( ) s = 2 ( 1 - r) Y ( ) + n r Y ( ), (14) s gdzie: X, X s, Y, Y s funkje kąt α zleżne od ksztłtu geometryznego przekroju orz położeni osi obojętnej. Proedurę określni funkji X, X s, Y, Y s w przypdku komin trzy i zteroprzewodowego o przekroju w ksztłie trójlistnej i zterolistnej konizynki, przedstwiono w rtykułh zmieszzonyh n nstępnyh stronh tego Zeszytu Nukowego. Zestwione zostły tm również wrtośi współzynników B i C, służąe do wyznzeni nprężeń normlnyh w przekrojh tego typu obiektów, ntomist szzegółowe oblizeni możn znleźć w prh [12] i [13]. Litertur [1] PN-88/B-03004, Kominy murowne i żelbetowe. Oblizeni sttyzne i projektownie. [2] Lehmn M., Nośność i wymirownie przekrojów pierśieniowyh elementów mimośrodowo śisknyh, Wydwnitw Instytutu Tehniki Budowlnej, Wrszw [3] Lehmn M., Lewiński P., Wyznznie nprężeń normlnyh w żelbetowyh kominh wieloprzewodowyh, Inżynieri i Budownitwo, nr 11/1993. [4] Żurński J., Wpływ interferenji erodynmiznej n obiążenie witrem stlowyh kominów wieloprzewodowyh, Pre Instytutu Tehniki Budowlnej, Kwrtlnik nr 2-3/2000. [5] Żurński J., Jóźwik R., Obiążenie witrem stlowyh kominów wieloprzewodowyh, XLV Konferenj Nukow KILiW PAN i KN PZITB, Kryni [6] Cieślik J., Mtej O., Sześioprzewodowy komin przemysłowy o wysokośi 250m, Inżynieri i Budownitwo, nr 7-8/1976. [7] Cieślik J., Mtej O., Trzyński L., Wieloprzewodowe kominy przemysłowe, Inżynieri i Budownitwo, nr 4/1974. [8] Mtej O., Cieślik J., Czteroprzewodowy komin przemysłowy huty Ktowie, Problemy Projektowe Hutnitw i Przemysłu Mszynowego, nr 12/1977. [9] Cieślik J., Nowe konstrukje kominów przemysłowyh, Przegląd Budowlny, nr 12/1989. [10] Rudziki J., Projektownie i wykonwstwo kominów przemysłowyh w doświdzenih przedsiębiorstw montżu i dostw pieów tunelowyh Bipropie Krków, Przegląd Budowlny, nr 12/1989. [11] PN-77/B-02011, Obiążeni w oblizenih sttyznyh. Obiążenie witrem. [12] Dobrowolsk M., Projekt komin przemysłowego trzyprzewodowego o konstrukji żelbetowej, WIBiS, Politehnik Lubelsk, Lublin 2008 (pr mgistersk). [13] Borzęki K., Projekt komin przemysłowego zteroprzewodowego o konstrukji żelbetowej, WIBiS, Politehnik Lubelsk, Lublin 2008 (pr mgistersk).

10 80 Mrt Słowik, Młgorzt Dobrowolsk, Krzysztof Borzęki Dimensioning of reinfored onrete multi flue himneys Mrt Słowik, Młgorzt Dobrowolsk, Krzysztof Borzęki Lublin University of Tehnology, Fulty of Civil nd Snitry Engineering, e-mil: Abstrt: In the pper there re presented the bsi priniples of dimensioning of reinfored onrete multi-flue industril himneys. The lultion problems pper when the ross setion is more omplited thn simple nnulr one, for whih there re rules in the ode. Different onepts of multi-flue himneys, espeilly three-flue nd four-flue himneys, re desribed nd the exmples of industril himneys built in Polnd re given s well. Key words: reinfored onrete strutures, industril multi-flue himneys.